Sonochemisch verbeterde Mannich reacties
Mannich reacties zijn belangrijke koolstof-koolstofbrugvormende reacties, die veel gebruikt worden in industrieën zoals de farmaceutische productie en de synthese van natuurlijke producten. Hoewel de meeste een-pot Mannich reacties erg langzaam verlopen, zijn de positieve effecten van ultrasoon op Mannich reacties snel geïmplementeerd om de opbrengst en reactiesnelheid te verbeteren en om de traditioneel lange reactietijd terug te brengen tot een korte procedure in Mannich reacties.
Sonochemie en de voordelen in Mannich reacties
De Mannich reactie is een van de belangrijkste koolstof-koolstofbrugvormende reacties in de organische synthese, omdat het synthetisch en biologisch belangrijke 𝛽-aminocarbonylverbindingen oplevert, die belangrijke tussenproducten zijn voor de bouw van verschillende stikstofhoudende natuurlijke producten en geneesmiddelen.
Ultrasoon inline systeem voor sonochemische reacties, bijv. voor verbeterde Mannich-reacties
Ultrasone bestraling en de daardoor gegenereerde sonochemische effecten blijken de reactiekinetiek in Mannich-reacties drastisch te versnellen, bijvoorbeeld met een 13-voudige vermindering van de reactietijd van 20 uur naar 1,5 uur.
Ultrasoonbehandeling verbetert de een-pot Mannich reactie van ketonen, aldehyden en amines gekatalyseerd door sulfaminezuur katalysator.
Schema aangepast van Zeng et al., 2009
- Aanzienlijk versnelde reactietijd
- hogere opbrengsten
- Precies controleerbare omstandigheden
- temperatuurregeling
- Batch en inline
- groene chemie
Ultrasone Mannich-reactie van 𝛽-aminocarbonylverbindingen
Sulfaminezuur (NH2SO3H, SA) werd gebruikt als een efficiënte, goedkope, niet-giftige en recyclebare groene katalysator voor de ultrasoon-ondersteunde een-pot Mannich reactie van aldehyden met ketonen en amines. Dit ultrasone protocol heeft de voordelen van een hoge opbrengst, milde omstandigheden, geen milieuvervuiling en eenvoudige werkprocedures. Het belangrijkste is dat met deze methode voor het eerst bèta-aminocarbonylverbindingen met orthogesubstitueerde aromatische amines worden verkregen met acceptabele tot goede opbrengsten.
Sulfaminezuur als katalysator werd onderzocht en 10 mol% sulfaminezuur was voldoende om de reactie volledig naar 95% opbrengst te sturen in een aanzienlijk versnelde reactietijd van 1,5 uur (in vergelijking met roeren met hoge snelheid, waarbij slechts 85% opbrengst werd bereikt in ongeveer 20 uur). Dit onderstreept het bekende feit dat ultrageluid en sonochemie organische reacties versnellen. De tabel hieronder toont de significante voordelen van ultrasoon in vergelijking met roeren met hoge snelheid voor Mannich-reacties.
Uit de tabel blijkt dat ultrasoon gekatalyseerde Mannich-reacties aanzienlijk sneller en efficiënter verlopen in vergelijking met roeren met hoge snelheid.
Studie: © Zeng et al., 2009
Sonochemische apparatuur met hoge prestaties voor Mannich-reacties
Sonochemische apparatuur voor de synthese en katalyse van chemische producten zoals aminocarbonylverbindingen en andere tussenproducten is overal verkrijgbaar. – van compacte ultrasone laboratoria tot volledig industriële ultrasone reactoren. Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert krachtige ultrasone systemen. Alle ultrasone systemen worden gemaakt in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland en van daaruit gedistribueerd over de hele wereld.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasone apparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasone apparaten zijn robuust en betrouwbaar, waardoor ze onder zware omstandigheden kunnen worden geïnstalleerd en gebruikt. De operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk en te kiezen via een intuïtief menu dat toegankelijk is via het digitale kleuren touch-display en de browser-afstandsbediening. Daarom worden alle verwerkingscondities zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en de synthese en functionalisatie van sonochemisch verbeterde reacties zoals de Mannich-reactie, Diels-Alder-reactie of Michael-additie optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische processen (sonosynthese en sonokatalyse) en hebben zich bewezen als betrouwbare apparatuur in batch en continue in-line modus. Hielscher industriële ultrasone systemen kunnen gemakkelijk hoge amplitudes aan in continu bedrijf (24/7/365). Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotroden (ultrasone sondes/ hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar. Dankzij hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone machines vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processoren voor sonochemische syntheses zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw sonochemisch gestuurde synthese via Mannich-reactie te bespreken! Onze goed ervaren medewerkers delen graag meer informatie over de sonochemische syntheseroute, ultrasone systemen en prijzen!
Met het voordeel van de ultrasone synthesemethode zal uw chemische productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere katalytische syntheseprocessen!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- Zeng H., Li H., Shao H. (2009): One-pot three-component Mannich-type reactions using sulfamic acid catalyst under ultrasound irradiation. Ultrasonics Sonochemistry16(6), 2009. 758-762.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Bravo, José; Lopez, Ignacio; Cintas, Pedro; Silvero, Guadalupe; Arévalo, María (2006): Sonochemical cycloadditions in ionic liquids. Lessons from model cases involving common dienes and carbonyl dienophiles. Ultrasonics Sonochemistry 13, 2006. 408-414.
- Piotr Kwiatkowski, Krzysztof Dudziński, Dawid Łyżwa (2013): “Non-Classical” Activation of Organocatalytic Reaction. In: Peter I. Dalko (Ed.), Comprehensive Enantioselective Organocatalysis: Catalysts, Reactions, and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
Wetenswaardigheden
Wat is de Mannich Reactie?
De Mannich-reactie is gebaseerd op een meercomponentencondensatie van een niet-onenoliseerbaar aldehyde, een primair of secundair amine en een enoliseerbare carbonylverbinding, die geaminomethyleerde producten oplevert. Het iminiumderivaat van het aldehyde fungeert als acceptor in de Mannich reactie.
De Mannich reactie wordt gebruikt in veel gebieden van de organische chemie. Omdat de Mannich reactie kan worden uitgevoerd als een gemakkelijke één-pot reactie en ook kan worden opgezet als dubbele Mannich reacties, wordt dit reactietype gebruikt voor de synthese van fijnchemicaliën, speciale chemicaliën, farmaceutica en natuurlijke stoffen (gebruikt in biosynthetische routes, vooral voor de synthese van alkaloïden, peptiden en nucleotiden).
Bekende voorbeelden van chemische stoffen die gesynthetiseerd worden via de Mannich reactie zijn onder andere:
- alkylaminen
- peptiden, nucleotiden, antibiotica en alkaloïden (bijv. tropinon)
- landbouwchemicaliën, zoals plantengroeiregulatoren
- verven en polymeren
- katalysatoren
- formaldehyde weefsel crosslinking
- geneesmiddelen en farmaceutische drugs (bijv. rolitetracycline (het Mannich-product van tetracycline en pyrrolidine), fluoxetine (antidepressivum), tramadol en tolmetin (ontstekingsremmend medicijn).
- zeep en detergentia: De Mannich reactie wordt gebruikt om alkylamines te synthetiseren, waarbij niet-polaire koolwaterstoffen worden omgezet in zeep of detergenten. Deze resulterende verbindingen worden gebruikt in verschillende reinigingstoepassingen, brandstofbehandelingen voor auto's en epoxycoatings.
- polyetheraminen uit gesubstitueerde alkylethers met vertakte ketens
- α,β-onverzadigde ketonen door de thermische afbraak van Mannich-reactieproducten (bv. methylvinylketon uit 1-diethylamino-butaan-3-on)
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.